Микробиологические процессы широко применяют в различных отраслях народного хозяйства. В основе многих производств лежат реакции обмена веществ, происходящие при росте и размножении некоторых микроорганизмов.

В настоящее время с помощью микроорганизмов производят кормовые белки, ферменты, витамины, аминокислоты и антибиотики, органические кислоты, липиды, гормоны, препараты для сельского хозяйства и т. д.

В пищевой промышленности микроорганизмы используются при получении ряда продуктов. Так, алкогольные напитки — вино, пиво, коньяк, спирт — и другие продукты получают при помощи дрожжей. В хлебопекарной промышленности используют дрожжи и бактерии, в молочной промышленности — молочнокислые бактерии ит. д.

Среди многообразия вызываемых микроорганизмами процессов одним из существенных является брожение.

Под брожением понимают превращение углеводов и некоторых других органических соединений в новые вещества под воздействием ферментов, продуцируемых микроорганизмами.

Известны различные виды брожения. Обычно их называют по конечным продуктам, образующимся в процессе брожения, например, спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое и др.

Многие виды брожения — спиртовое, молочнокислое, ацетонобутиловое, уксуснокислое, лимоннокислое и другие, вызываемые различными микроорганизмами,— используют в промышленности. Например, в производстве этилового спирта, хлеба; пива, вина применяют дрожжи; в производстве лимонной кислоты — плесневые грибы; в производстве уксусной и молочной кислот, ацетона — бактерии. Основная цель указанных производств — превращение субстрата (питательной среды) под действием ферментов микроорганизмов в необходимые продукты. В других производствах, например, в производстве хлебопекарных дрожжей, главной задачей является накопление максимального количества культивируемых дрожжей.

Основные группы микроорганизмов, используемых в пищевой промышленности, — бактерии, дрожжевые и плесневые грибы.

5.3.1. Бактерии

Бактерии используют в качестве возбудителей молочнокислого, уксуснокислого, маслянокислого, ацетонобутилового брожения.

Исторически наиболее ранними и широко распространенными способами биотехнологии являются бродильные процессы. В основе процесса брожения лежит анаэробное окисление глюкозы до пировиноградной кислоты, которая в отсутствии кислорода не превращается в ацетил-КоА, а восстанавливается до молочной или пропионовой кислоты или декарбоксилируется до уксусного альдегида. В зависимости от вида микроорганизма образуются разные конечные продукты. По наибольшему содержанию того или иного продукта различают спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое или маслянокислое брожение.

Культурные молочнокислые бактерии используют при получении молочной кислоты, в хлебопечении, иногда в спиртовом производстве. Они превращают сахар в молочную кислоту по приведенному уравнению:

С₆Н₁₂О₆ → 2СН₃СН(ОН)СООН + 52 ккал.

Молочнокислым бактериям важная роль принадлежит в производстве ржаного хлеба. В процессе получения ржаного хлеба участвуют истинные (гомоферментативные) и неистинные (гетероферментативные) молочнокислые бактерии. Гетероферментативные молочнокислые бактерии наряду с молочной кислотой образуют летучие кислоты (в основном уксусную), спирт и диоксид углерода. Истинные бактерии в ржаном тесте участвуют только в кислотообразовании, а неистинные наряду с кислотообразованием оказывают существенное влияние на разрыхление теста, являясь энергичными газообразователями. Молочнокислые бактерии ржаного теста существенное влияние оказывают на вкус хлеба, который зависит как от общего количества кислот, содержащихся в хлебе, так и от их соотношения. Кроме того, молочная кислота оказывает влияние на процесс образования и структурно-механические свойства ржаного теста.

При спиртовом брожении под действием молочнокислых бактерий сахара превращаются в этиловый спирт по уравнению

С₂Н₁₂О₆ → 2СН₃СН₂ОН + 2С0₂ + 56 ккал.

В спиртовой промышленности молочнокислое брожение может применяться для подкисления дрожжевого сусла. Дикие молочнокислые бактерии неблагоприятно влияют на технологические процессы бродильных производств, ухудшают качество готовой продукции. Образующаяся при молочнокислом брожении молочная кислота стимулирует развитие дрожжей и подавляет жизнедеятельность посторонних микроорганизмов.

Маслянокислое брожение, вызываемое маслянокислыми бактериями, используют для производства масляной кислоты, эфиры которой применяют в качестве ароматических веществ, а для спиртового производства эти бактерии опасны, так как масляная кислота подавляет развитие дрожжей и инактивирует а-амилазу.

К особым видам маслянокислых бактерий относятся ацетоно- бутиловые бактерии, превращающие крахмал и другие углеводы в ацетон, бутиловый и этиловый спирты. Эти бактерии используют в качестве возбудителей брожения в ацетонобутиловом производстве.

Уксуснокислые бактерии используют для получения уксуса (раствора уксусной кислоты), так как они способны окислять этиловый спирт в уксусную кислоту.

Среди органических кислот первое место по объему производства занимает уксусная кислота. В технических целях ее получают химически путем синтеза из этилена или выделением из продуктов сухой перегонки древесины. Полученная таким способом кислота называется ледяной, ее концентрация составляет 77-80%. Техническая уксусная кислота используется для производства пластмасс, каучука, волокон и инсектицидов.

Для пищевых целей уксусную кислоту производят путем микробиологического окисления этанола. Она является важнейшим продуктом микробиологической промышленности. Окисление этанола происходит при участии уксуснокислых бактерий, относящихся к родам Acetobacter и Gluconobacter. В естественных условиях уксуснокислые бактерии находятся на овощах, фруктах, в скисших фруктовых соках и слабых алкогольных напитках. Поскольку уксуснокислые бактерии не превращают углеводы непосредственно в уксусную кислоту, исходное сырье подвергается вначале спиртовому брожению, а затем образовавшийся спирт окисляется до уксусной кислоты. Процесс окисления этанола идет в аэробных условиях, чем и отличается от брожения. Схема получения уксусной кислоты:

С₂Н₅ОН + 1/2О₂ → СН₃СОН + Н₂О,

СН3СОН + 1/2О₂ → СН3СООН.

В качестве приправы, а также для изготовления майонеза, горчицы, маринадов, соусов, хрена используют 4-9%-ный уксус. Такую концентрацию можно приготовить из ледяной уксусной кислоты разбавив ее в 10-20 раз, но полученный раствор не будет обладать вкусовыми качествами пищевого уксуса. Причина в том, что при получении уксуса из фруктовых сиропов, вин, ягод или фруктов он при хранении созревает за счет образования эфиров уксусной кислоты с другими органическими соединениями, приобретая специфический вкус и аромат, что повышает его потребительские качества.

Следует отметить, что уксуснокислое брожение является вредным для спиртового производства, так как приводит к снижению выхода спирта, а в пивоварении ухудшает качество пива, вызывает его порчу.

5.3.2. Дрожжи

Дрожжи широко применяются в качестве возбудителей брожения при получении спирта и пива, в виноделии, в производстве хлебного кваса, а также в хлебопечении для разрыхления теста.

Для пищевых производств имеют значение дрожжи — сахаромицеты, которые образуют споры, и несовершенные дрожжи — несахаромицеты (дрожжеподобные грибы), не образующие спор.

Семейство сахаромицетов делится на несколько родов. Наиболее важное значение из этого семейства имеет род Saccharomyces (сахаромицеты). Род подразделяется на виды, а отдельные разновидности вида, отличающиеся по некоторым признакам, называют расами. В каждой отрасли применяются определенные расы дрожжей. Различают дрожжи пылевидные и хлопьевидные. У первых на протяжении всего периода жизнедеятельности клетки изолированы друг от друга, а у вторых клетки склеиваются между собой, образуя хлопья, и быстро оседают.

Культурные дрожжи относятся к семейству сахаромицетов S. cerevisiae. Температурный оптимум для размножения дрожжей находится в пределах 25-30°С, а минимальная температура около 2- 3°С. При 40°С рост прекращается и дрожжи отмирают, но низкие температуры дрожжи переносят хорошо, хотя размножение их приостанавливается.

Различают дрожжи верхового и низового брожения. В каждой из этих групп имеется несколько отдельных рас.

Дрожжи верхового брожения в стадии интенсивного брожения выделяются на поверхности сбраживаемой среды в виде довольно толстого слоя пены и остаются в таком состоянии до окончания брожения. Затем они оседают, но не дают плотного осадка. Эти дрожжи относятся к пылевидным дрожжам и не склеиваются друг с другом в отличие от хлопьевидных дрожжей низового брожения, оболочки которых являются, клейкими, что приводит к слипанию и быстрому осаждению клеток.

Из культурных дрожжей к дрожжам низового брожения относятся большинство винных и пивных дрожжей, а к дрожжам верхового брожения — спиртовые, хлебопекарные и некоторые расы пивных дрожжей.

Первоначально были известны только дрожжи верхового брожения, так как брожение различных соков происходило при обычной температуре. Желая получить напитки, насыщенные СО₂, человек стал вести брожение при низкой температуре. Под влиянием изменившихся внешних условий получились дрожжи низового брожения, нашедшие широкое распространение в промышленности.

Как отмечалось ранее, в процессе спиртового брожения из глюкозы образуется два основных продукта — этиловый спирт и диоксид углерода, а также промежуточные вторичные продукты: глицерин, янтарная, уксусная, лимонная и пировиноградная кислоты, ацетальдегид, 2,3-бутиленгликоль, ацетоин, эфиры и так называемые сивушные масла (изоамиловый, изопропиловый бутиловый и другие спирты).

Сбраживание отдельных Сахаров происходит в определенной последовательности, обусловленной скоростью их диффузии в дрожжевую клетку. Быстрее всех сбраживаются дрожжами глюкоза и фруктоза. Сахароза исчезает (инвертируется) в среде еще в начале брожения под действием фермента, содержащегося в оболочке дрожжевой клетки— β-фруктофуранозидазы, с образованием глюкозы и фруктозы, которые легко используются клеткой. Когда в среде почти не остается фруктозы и глюкозы, дрожжи потребляют мальтозу.

Дрожжи обладают способностью сбраживать весьма высокие концентрации сахара — до 60%. Они выносят также высокие концентрации спирта — до 14-16 об.%. Токсичное действие спирта увеличивается с повышением температуры.

В присутствии кислорода спиртовое брожение прекращается, и дрожжи получают энергию за счет кислородного дыхания

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ → 6СО₂ + 6Н₂О + 2824 кДж.

Так как этот процесс энергетически более богат, чем процесс брожения (118 кДж), то дрожжи тратят сахар значительно экономнее. Прекращение брожения под влиянием кислорода воздуха получило название эффекта Постера.

В спиртовом производстве применяют верховые дрожжи вида S. cerevisiae, которые обладают наибольшей энергией брожения, образуют максимум спирта и сбраживают моно- и дисахариды, а также часть декстринов.

В хлебопекарных дрожжах ценят быстро размножающиеся расы, обладающие хорошей подъемной силой и стойкостью при хранении. Подъемная сила определяется как особенностями рас дрожжей, так и способом ведения производства.

В пивоварении используют дрожжи низового брожения, приспособленные к сравнительно низким температурам. Пивные дрожжи должны быть микробиологически чистыми, обладать способностью к хлопьеобразованию, быстро оседать на дно бродильного аппарата и давать прозрачный напиток с определенными вкусом и ароматом.

В пивоваренной промышленности применяют низовые дрожжи вида S. carlsbergertsis (в основном хлопьевидные расы). Брожение, вызываемое ими, хорошо протекает при температурах от 6 до 8°С.

В виноделии ценятся дрожжи, быстро размножающиеся, обладающие свойством подавлять другие виды дрожжей и микроорганизмы и придавать вину соответствующий букет. Дрожжи, применяемые в виноделии, относятся к виду S. vini, энергично сбраживают глюкозу, фруктозу, сахарозу и мальтозу. Большая часть винных дрожжей относится к дрожжам низового брожения. В виноделии почти все производственные культуры дрожжей выделены из молодых вин в различных местностях.

Исходное сырье для приготовление пива включает четыре основных компонента: ячмень или другое зерно, вода, хмель и дрожжи.

Основные этапы приготовления пива представлены на рисунке 21.

Рис. 21

Схема производства пива и кваса

• Соложение зерна, т. е. его проращивание, при котором в зерне образуются амилазы, осахариваюшие крахмал. Измельченное и высушенное проращенное зерно представляет собой так называемый солод.
• Варка сусла: измельченный солод соединяют с водой (затирание солода) и варят для получения солодового экстракта — пивного сусла. В конце варки обычно добавляют хмель, придающий пиву особый горьковатый привкус.
• Полученное сусло сбраживают добавлением чистых культур дрожжей. При этом используются особые отселекционированные расы дрожжей, имеющие высокую бродильную активность, хорошо осаждающиеся (флоккулирующие) в конце брожения, придающие пиву соответствующий вкус и приятный аромат. Вкус пива во многом зависит от состава вторичных продуктов брожения, выделяемых данной расой дрожжей. После главного бурного брожения обычно осуществляют более медленное и длительное дображивание (созревание) пива, при котором протекают в основном те же процессы, что и при главном брожении, но более медленно. Выделяющийся в процессе дображивания СО₂ растворяется и связывается в пиве.
• После созревания пиво осветляют с помощью фильтрования. При этом из пива удаляют находящиеся во взвешенном состоянии дрожжевые клетки, белковые и полифенольные вещества, хмелевые смолы, соли тяжелых металлов. После этого пиво направляют на розлив.

Квас производится по аналогичной схеме, однако помимо ячменного широко применяется ржаной солод. К нему добавляется мука и сахар, после чего смесь заливается водой и варится с образованием сусла. Важнейшим отличием квасоварения от производства пива является использование при сбраживании сусла помимо дрожжей молочнокислых бактерий.

Современные технологии пивоварения и виноделия основаны на использовании чистых, культурных рас дрожжей, которые добавляют в сусло перед началом брожения.

Однако в процессе производства в пиве или вине, помимо культурных дрожжей, могут развиваться и другие виды дрожжей, ухудшающие качество продукта. Такие дрожжи называют «сорняками брожения». Среди таких дрожжей можно выделить две группы. Первые обычны в природных местообитаниях и попадают в субстраты бродильных производств (вместе с исходными материалами), из воздуха заносятся насекомыми. К таким видам относятся, например, дрожжи рода Henseniaspora, характерное местообитание которых — сочные плоды, в том числе ягоды винограда. Во многих современных технологических процессах виноделия перед добавлением в муст чистых культур эти дрожжи сначала убивают сульфитированием, пропуская через виноградный сок двуокись серы.

Другую гpynny составляют виды, основным местообитанием которых, так же как и для культурных дрожжей, являются субстраты бродильных производств. В природных местообитаниях эти виды встречаются очень редко. К таким видам относятся представители рода Dekkera (анаморфа — Brettanomyces). Эти дрожжи часто сопутствуют сахаромицетам в процессах приготовления пива, однако при значительном развитии они вызывают порчу продукта, выделяя различные побочные продукты брожения и придавая ему нежелательные органолептические характеристики.

В современных производствах налажены системы контроля за развитием таких нежелательных видов дрожжей. Очень перспективным для этого являются молекуяярно-биологические методы, основанные на специфическом связывании олигонуклеотидных последовательностей с ДНК определенных видов, например, метод FISH.

Важной отраслью пищевой промышленности является виноделие.

Первый этап приготовления вина — раздавливание ягод винограда. При этом образуется муст — виноградный сок с мезгой (остатками кожицы и косточек). При сбраживании муста получают красные вина, так как красящие вещества содержатся в основном в кожице винограда. Для получения белых вин виноградный сок предварительно отделяют от мезги.

Свежий муст всегда содержит дикие дрожжи, присутствовавшие на ягодах винограда и попавшие в него с оборудования в процессе прессования. При использовании чистых винных культур дрожжей такие дикие дрожжи обычно убивают сульфитированием муста.

Сразу после раздавливания начинается процесс брожения. Спиртовое брожение — основной технологический процесс виноделия. При брожении виноградного сусла создаются благоприятные физико-химические условия для распределения активных дрожжевых клеток в бродящей среде, а также тепло- и массообмена. Скорость и ход брожения существенно влияют на качество вина. Вина более высокого качества формируются в условиях медленного брожения, для которого характерны меньшие потери ценных ароматических и вкусовых летучих компонентов из сусла в атмосферу, меньшие потери спирта, лучшее сохранение сортового аромата.

Суммарное уравнение спиртового брожения может быть представлено в следующем виде:

С_бН₁₂О₆ + 2Н₃РО₄ + 2АДФ → 2С₂Н₅ОН + 2СО₂ + 2АТФ + 2Н₂О.

При сбраживании субстрата происходят глубокие изменения его химического состава. Наряду с главными продуктами метаболизма дрожжей — спиртом и диоксидом углерода при спиртовом брожении из Сахаров образуются многочисленные вторичные продукты, роль которых весьма значима в формировании аромата и вкуса вина. К числу вторичных продуктов относятся: пировиноградная кислота; глицерин; ацетальдегид; уксусная кислота; ацетоин; янтарная и лимонная кислоты; изоамиловый и изопропиловый спирты; эфиры, в зависимости от структуры имеющие фруктовый, сладковатый или цветочный аромат.

Молодое вино непосредственно после брожения обычно мутное от взвеси дрожжей, бактерий и твердых частиц. Для осветления вина используются естественное отстаивание и фильтрация. Осветление производится также добавлением различных коагулянтов: яичного белка, желатина, бентонита (тип глины) или др.

После этого следует этап созревания или взросления вина. Красные вина, предназначенные для взросления, хранят от 1 до 2 лет в дубовых бочках. Взросление в деревянных бочках позволяет вину приобрести определенные ароматы. В зависимости от типа вина проходят процесс взросления различной продолжительности. В конце этого периода их обычно фильтруют и разливают по бутылкам. Фильтрация предназначена для удаления всех оставшихся мелких частиц, дрожжей и бактерий. Она проводится с использованием специальных инертных элементов: диатомасового гравия, целлюлозы, специальных пластиковых мембран.

Особое место в виноделии занимает производство шампанского. Шампанские вина — это сухие виноградные вина, содержащие значительное количество углекислого газа, который получается брожением (именно в этом отличие шампанских вин от других шипучих вин). Исходным продуктом для производства шампанских вин служит белое столовое вино, содержащее 10-12% спирта, получаемое из специальных сортов винограда. Чтобы вызвать новое брожение, необходимое для насыщения вина углекислым газом, в него добавляют немного сахара и дрожжей. Дрожжи, используемые для шампанизации, представляют собой особые расы Saccharomyces cerevisiae, более устойчивые к спирту и способные осуществлять брожение в уже готовом вине. Второе сбраживание может проводиться в бутылках (традиционный метод шампанизации) и в крупных резервуарах (современные методы). Разработаны также технологии непрерывной шампанизации, при которых вторичное сбраживание ведется иммобилизованными дрожжами, находящимися в колонке, через которую пропускается исходное вино.

При использовании традиционного метода шампанизации бутылки закупоривают сменной пробкой и ставят в охлаждаемые камеры пробками вниз. В охлаждаемых камерах или подвалах происходит брожение, образующийся углекислый газ растворяется в вине, а дрожжи опускаются вниз к пробке. Этот процесс называется ремюажем. Сложным технологическим процессом, процессом, требующим виртуозной техники рабочего, является дегоржирование. Рабочий, держа бутылку наклонно вниз пробкой, откупоривает ее (при этом сменная пробка вылетает вместе с дрожжевым осадком), затем он быстро переворачивает бутылку и закрывает ее новой пробкой. Для облегчения этого процесса и уменьшения потерь шампанского осадок намораживают на пробку, для чего перед дегоржированием бутылки (их располагают пробкой вниз) пропускают через ванну с рассолом с температурой -30°С. Бутылки откупоривают и льдинка замороженного осадка вылетает из бутылки. В бутылки доливают растворенный в вине сахар, причем количество сахара зависит от того, какое шампанское хотят получить — брют, сухое или полусухое. После этого бутылки снова укупоривают и выдерживают в подвалах, где поддерживают температуру 10-12°С.

При резервуарном способе шампанизация происходит в специальных емкостях (акратофорах). Это позволяет провести те же процессы, но в ускоренном режиме и с большими масштабами и меньшей себестоимостью. После брожения шампанское в последних акратофорах охлаждается до температуры -5°С, фильтруется для отделения дрожжей и разливается в бутылки.

В таких отраслях, как пивоварение и дрожжевое производство, дрожжеподобные грибы являются вредителями производства.

Дрожжи семейства несахаромицетов вырабатывают в качестве ценного корма для сельскохозяйственных животных.

Большинство кормов, используемых в животноводстве, не содержат в достаточном количестве белков и витаминов. Даже такие ценные корма, как кукуруза и сахарная свекла, дающие максимальное количество кормовых единиц с гектара, богаты углеводами, но не содержат достаточного количества азотистых веществ. Поэтому во всех странах отмечается большой дефицит кормового белка. Этот дефицит покрывается увеличением производства растительного протеина, содержащегося в сельскохозяйственных кормовых культурах, — зерне, люцерне; выпуском рыбной и мясной муки, сухих молочных продуктов. Со второй половины XX в. в качестве кормовой добавки в животноводстве стали широко применяться кормовые дрожжи. Они существенно повышают биологическую ценность кормов, прежде всего за счет содержащихся в них незаменимых аминокислот и витаминов.

В нашей стране производство кормовых дрожжей было начато в середине 1930-х гг. Отходы сельскохозяйственных производств, такие как солома, кукурузные кочерыжки, опилки, подвергали гидролизу серной кислотой, гидролизаты нейтрализовали и использовали доя выращивания Saccharomyces cerevisiae. Однако транспорт сырья на такие заводы оказался дорогостоящим, и поэтому они обладали малой мощностью и имели лишь местное значение.

В 1973 г. в СССР был пущен первый в мире завод кормовых дрожжей мощностью 70000 т в год. В качестве сырья на нем использовали выделенные из нефти н-алканы, а в качестве продуцентов белка — дрожжи Candida guilliermondii, Candida tropicalis и др. В последующие десятилетия производство кормовых дрожжей из н-алканов быстро росло и сопровождалось многочисленными исследованиями в этой области.

В качестве других источников для получения кормового дрожжевого белка могут использоваться метанол, отходы молочной промышленности (молочная сыворотка).

При приготовлении сыра после свертывания молока образуется молочная сыворотка— основной отход сыроваренного производства — побочный продукт в молочной промышленности. В большинстве сыроваренных производств сыворотка сливается, представляя большую проблему как загрязнитель почв. В то же время она представляет собой достаточно богатую питательную среду, на которой могут развиваться многие микроорганизмы, в том числе некоторые виды дрожжей, способные усваивать лактозу — основной компонент сыворотки.

Способность к ассимиляции лактозы имеется примерно у 20% всех известных видов дрожжей. Гораздо реже встречаются дрожжи, сбраживающие лактозу. Активный катаболизм лактозы особенно характерен для дрожжей из рода Kluyveromyces. Эти дрожжи можно использовать для получения на молочной сыворотке кормового белка, этанола, препаратов Д-глюкозидазы.

В молочной промышленности дрожжи применяют при производстве кефира и сыров.

Кефир — разновидность молочнокислых продуктов, для приготовления которого используется закваска, содержащая дрожжи.

Для производства некоторых сыров применяются определенные штаммы грибов, которые развиваются в сыре в процессе его созревания и придают ему особый вкус. К числу наиболее известных относится сыр Рокфор, для получения которого сыр заражают специальными штаммами грибов рода Penicillium. Дня получения некоторых сортов сыра используются также дрожжевые грибы. К ним относится сорта Камамбер, Бри, Марселлин, Реблохон и др., на поверхности которых имеется характерная пленка, в составе которой преобладают дрожжеподобные грибы Geotrichum candidum. Эти дрожжи долгое время рассматривались сыроделами как сорняки производства, быстро разрастающиеся на поверхности сыра при его хранении и ухудшающие его товарный вид. Однако после получения определенных рас этих дрожжей их стали использовать для производства особых пикантных сортов сыра. Перед созреванием такие сыры обрабатывакгг культурами Geotrichum candidum, которые покрывают поверхность сыра в виде белого налета и придают ему характерные вкус и цвет.

ДРОЖЖИ ИСПОЛЬЗУЮТ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВИТАМИНОВ

В настоящее время чистые препараты витаминов получают главным образом синтетически, в некоторых случаях отдельные стадии их образования выполняются методами микробиологического синтеза. Распространенное ранее производство концентратов витаминов из продуктов растительного или животного происхождения сейчас почти полностью потеряло свое значение.

В то же время некоторые витамины получают с помощью экстракции и очистки культуральной жидкости или биомассы микроорганизмов. Наряду с использованием непосредственно дрожжевой биомассы как источника витаминов в виде дрожжевых гидролизатов и пивных дрожжей, некоторые дрожжи используются для микробиологического производства чистых витаминов.

Существуют штаммы сахаромицетов, обладающие способностью к гиперсинтезу витамина В₂ (рибофлавина), которые могут быть использованы для получения этого витамина.

Из базидиомицетовых дрожжей, обладающих способностью к интенсивному синтезу каротиноидов, получают препараты Р-каро- тина, являющегося предшественником витамина А и астаксантина.

Использование дрожжей дня производства чистых витаминов началось в 1930-х гг. с получения витамина D. С использованием специальных рас Saccharomyces cerevisiae получают эргостерол, который после облучения ультрафиолетом модифицируется в витамин D₂ (см. рис. 22).

Рис. 22

Витамин D₂ (кальцефирол)

Один из метаболитов цикла трикарбоновых кислот — яблочную кислоту — можно получать из н-парафинов с помощью дрожжей рода Candida, из этанола путем ферментации при участии бактерий, а также из фумаровой кислоты с использованием иммобилизованной фумаразы. Схема получения яблочной кислоты из фумаровой кислоты представлена реакцией

НООС - НС = НС - СООН + Н₂О → НООС – СН₂ - СНОН - СООН

Яблочную кислоту используют в пищевой промышленности в качестве подкислителя.

5.3.3. Зигомицеты

Ранее зигомицеты называли плесневыми грибами. Они играют большую роль в качестве продуцентов ферментов.

Грибы рода Aspergillus продуцируют амилолитические, протеолитические, пектолитические и другие ферменты, которые используют в спиртовой промышленности вместо солода для осахаривания крахмала, в пивоваренной — при частичной замене солода несоложеным зерном и т. д.

В производстве лимонной кислоты A. niger является возбудителем лимоннокислого брожения, превращая сахар в лимонную кислоту.

В ряде случаев плесневые грибы вызывают порчу пищевых продуктов.

Производство лимонной кислоты методом ферментации при участии микроскопических грибов было налажено в конце XIX в. До настоящего времени основным ее продуцентом является плесневый гриб Aspergillus niger. До 30-х гг. XX в. лимонную кислоту получали путем поверхностного культивирования гриба, а начиная с 1940-х гг. применяют в основном глубинное культивирование в герметичных ферментаторах. Используя высокопродуктивные штаммы A. niger, добиваются 98-99% выхода кислоты в расчете на израсходованную сахарозу.

Лимонная кислота является промежуточным продуктом аэробного окисления глюкозы. В цикле трикарбоновых кислот она образуется в реакции синтеза из щавелевоуксусной кислоты и активной формы уксусной кислоты (ацетил-коэнзим А). Схема получения лимонной кислоты:

Далее лимонная кислота через ряд промежуточных кислот вновь превращается в щавелевоуксусную кислоту, теряя при этом два атома углерода:

Для торможения циклического превращения лимонной кислоты в щавелевоуксусную в культуральной среде создают дефицит железа и фосфора. В качестве дешевого углеводного сырья используют мелассу, крахмал и глюкозный сироп.

Разработаны также способы получения лимонной кислоты из н- парафинов с помощью дрожжей рода Candida и других микроорганизмов, но они оказались экономически менее эффективными; к тому же некоторые из используемых в этой технологии продуцентов являются патогенными.

Лимонная кислота имеет приятный кислый вкус и хорошо растворима в воде. Ее широко используют в пищевой промышленности, преимущественно в производстве налитков, а также в фармацевтической и косметической промышленности. Эфиры лимонной кислоты применяются в производстве пластмасс. Хелатируюхцие свойства лимонной кислоты используются для связывания и очистки металлов. Ее вводят также в состав детергентных (поверхностно-активных веществ). Будучи природным метаболитом, лимонная кислота легко разрушается всеми живыми организмами, поэтому она нетоксична и не загрязняет окружающую среду.

Селекционированные штаммы A. niger используют также для производства глюконовой кислоты. Образование глюконовой кислоты происходит при окислении глюкозы с участием фермента глюко- зооксидазы. Схема получения глюконовой кислоты показана на рисунке 23.

Рис. 23

Схема получения глюконовой кислоты

В промышленности для получения глюконолактона и глюконовой кислоты используют гидролизаты крахмала. Бактериальные способы получения глюконовой кислоты применяются меньше, главным образом, для получения оксоглюконовых кислот. Оксоглюконовые кислоты имеют самостоятельное значение в биотехнологии, так как они служат промежуточными продуктами для синтеза других веществ, в частности, для синтеза аскорбиновой кислоты (см. рис. 24).

Рис.24

Схема получения аскорбиновой кислоты

В быту эти вещества получают при помощи «чайного гриба», представляющего собой ассоциацию дрожжей, уксуснокислых и глюконовокислых бактерий, которые растут на подслащенном чае.

Глюконовая кислота и ее соли применяются в различных отраслях промышленности. Благодаря способности связывать кальций глюконовая кислота в виде натриевой соли используется в составе моющих средств на производстве молока и молочных продуктов. Глюконат кальция применяется в медицинских целях для повышения свертываемости крови, увеличения концентрации кальция в крови и т. д. Глюконолактон как медленно действующий окислитель применяется при выпечке хлеба, при переработке мяса. Глюконат натрия применяется также в фотографии, литографии, для изготовления красок и очистки металлов.